电⼒百科第3期：冲动式与反动式
⼀、基本原理
喷嘴栅和与其相配的动叶栅组成了汽轮机中最基本的⼯作单元“级”，不同的级顺序串联构成多级汽轮机。
媒体播放当蒸汽通过汽轮机时，⾸先在喷嘴栅中将热能转变为动能，然后在动叶中将其动能转变为机械能，使得叶轮和轴转动，从⽽完成汽轮机利⽤蒸汽热能做功的任务。
蒸汽在级中以不同的⽅式进⾏能量转换，便形成不同⼯作原理的汽轮机，即冲动式汽轮机和反动式汽轮机。
冲动式汽轮机主要有冲动级组成，在级中蒸汽主要在喷嘴栅中膨胀，在动叶栅中只有少量膨胀。
探头板反动式汽轮机，主要有反动级组成，蒸汽在汽轮机的喷嘴栅和动叶栅中都有相当程度的膨胀。
⼆、主要结构特点
一水氢氧化锂2.1 动静叶栅
冲动式汽轮机的动、静叶栅型线是不同的。⽓流在动叶栅中膨胀量少，所以动叶栅的截⾯形状是近似对称的。蒸汽在静叶栅中转折⾓较⼩，进⼊动叶的速度较⼤，在动叶中转折⾓较⼤，动叶损失较⼤。 反动式汽轮机由于级的⽐焓降是在喷嘴和动叶栅中平均分配的，所以喷嘴叶栅和动叶栅可采⽤相同的叶形，且叶型是不对称的，构成喷嘴和动叶的收缩形通道。
冲动式与反动式叶形及蒸汽在级中流动过程中压⼒和速度变化如图1、图2所⽰:
2.2 转⼦及隔板
对于冲动式，动叶前后压差较⼩，没有太⼤的轴向⼒作⽤在转⼦上，所以冲动式汽轮机可以使⽤质量轻、结构紧凑的式转⼦；为提⾼汽轮机的灵活性，可以采⽤较⼤的径向间隙。喷嘴叶栅前后压差较⼤，设置隔板结构，把喷嘴装在隔板的外环上，同时在隔板的内孔装⽓封⽚，可以减少喷嘴叶栅与轴间的漏⽓量，也减少了转⼦摩擦的危险性。由于隔板保持中⼼，它与汽缸的变形⽆关，所以在整个使⽤期限内可使汽轮机维持良好的对中性能。
对于反动式，动叶前后存在较⼤的压差，为了减⼩⽓流对转⼦的轴向作⽤⼒，反动式汽轮机采⽤转⿎式结构，没有叶轮；喷嘴直接安装在汽缸内壁上，没有隔板，汽缸上安装⽀撑静叶的内环，这种结构
⼤⼤减⼩了级的轴向尺⼨。为使蒸汽泄漏量较⼩，应尽量减⼩径向间隙。动叶前后压差较⼤，为避免过⼤的级内损失⼀般不采⽤部分进⽓，⽽⽤全周进⽓。
2.3 级数差别
在同样蒸汽参数和功率条件下，冲动式汽轮机的级数⼀般⽐反动式的少，相应的零部件数也少。但随着机组功率的增⼤，级数的差别越来越⼩。
⼤功率机组的低压缸，末级叶⽚都较长，为防⽌⽓流的撞击和减少余速损失常采⽤叶形和动叶出⽓⾓沿叶⾼变化的长扭叶⽚，以适应圆周速度和蒸汽参数沿叶⾼变化的规律。⽽对于长扭叶⽚的叶根常设计成具有适当反动度的冲动式叶形，叶顶靠近节圆处却设计成反动式叶形，以适应⾼效率的要求。
因此，冲动式和反动式汽轮机叶形设计近乎⼀致，级数的差别被缩⼩了。尤其在⼤功率汽轮机机组中，级数的差别逐渐被淡化。
2.4 平衡轴向⼒的措施
由于叶形及转⼦结构的不同，作⽤在汽轮机级上的轴向推⼒不相同，因此平衡轴向⼒的措施也不同。
对于冲动式汽轮机，通常在叶轮上开5～7个平衡孔，减少蒸汽前后压⼒差，以减少轴向推⼒。
对于反动式汽轮机，常采⽤平衡活塞法，即在汽轮机转⼦⾼压轴封端加⼤第⼀段汽封套的直径，以产⽣与主蒸汽在轴流⽅向相反的轴向推⼒。
但随着机组容量的增⼤，要求的平衡活塞的外径也增⼤，随之⽽来的轴封漏⽓⾯积增⼤，轴封漏⽓量增⼤，所以汽轮机机组的效率会下降。这是反动式汽轮机的主要缺点之⼀。反动式汽轮机转⼦设计成转⿎形式也是为了平衡轴向推⼒。
对于冲动式和反动式汽轮机的汽缸对称布置是⼤型多缸汽轮机平衡轴向⼒的最有效的办法。
当汽轮机组是有⾼压缸、中压缸和两个低压缸组成时，把⾼压缸和低压缸对称布置，两个低压缸对称布置，利⽤蒸汽轴向流动⽅向相反来抵消轴向推⼒。
三、冲动式和反动式汽轮机的蒸汽流动特性
3.1 调节级
多数汽轮机采⽤改变第⼀级喷嘴⾯积的⽅式调节进⽓量，称之为喷嘴调节，喷嘴调节汽轮机的第⼀级为调节级。
反动级不能采⽤部分进⽓，否则会有较⼤的漏⽓损失；同时在部分进⽓下50%的反动度不能在级内实
现，调节级须承担较⼤的焓降才能适应机组变⼯况的要求，因此反动级不能作为调节级，只有冲动级才可以作为调节级。在部分进⽓下，采⽤喷嘴调节效率最⾼。
地热电缆
机组功率较⼩时，常采⽤复速级作为调节级；⼤功率机组，常采⽤单列冲动级作为调节级。对于反动式汽轮机的调节级也必须采⽤冲动式，其后的各级采⽤反动式。
3.2 双流与单流
采⽤双流的反动式汽轮机可不设平衡活塞，降低了泄漏损失。但叶⽚⾼度短了，会增加漏⽓损失、叶⽚摩擦损失和端部损失。总的来说，在均采⽤双流结构的前提下，以反动式较有利。
在相同的级数下，单流的质量系数是双流的两倍，每级的⽓动效率和漏⽓效率都可得到改善，但单流必须设置平衡活塞。
冲动式汽轮机由于轴向推⼒⽐较⼩，平衡活塞的漏⽓损失较⼩，因此单流的经济性收益是正的。
对于双流的低压缸，由于主要采⽤扭叶层，其经济性已与采⽤冲动式和反动式⽆关，主要取决于扭叶层级的特性和品质。
四、冲动式与反动式汽轮机的效率⽐较
4.1 叶栅损失
叶栅的⽓动特性影响到蒸汽的做功能⼒，对叶栅⽓动特性的研究主要着⼒于叶栅的能量损失。
冲动式叶栅对相对节距的变化和冲⾓的影响⽐反动式敏感，同时由于叶栅型式的影响，冲动式汽轮机的叶栅损失⽐反动式⼤。
4.2 级内损失
转子动平衡4.2 级内损失
凡是级内和流动能量转换有直接联系的损失称为汽轮机的级内损失。
主要包括喷嘴损失、动叶损失、余速损失、叶⾼损失、撞击损失、扇形损失、叶轮摩擦损失、部分进⽓损失、湿⽓损失和漏⽓损失。
反动级的叶顶漏⽓多，叶⾼损失⽐较⼤。对于反动式级，由于没有叶轮，动叶直接安装在轮毂上，所以不存在叶轮摩擦损失。
反动级，动叶前后压差较⼤，为减少漏⽓损失，不采⽤部分进汽，因此没有部分进⽓损失。
冲动式汽轮机的漏⽓损失有隔板漏⽓损失和叶顶漏⽓损失组成；反动式主要有叶顶漏⽓组成。
对于反动级，由于动叶前后压差较⼤且采⽤全周进⽓，所以反动式叶顶漏⽓量⽐较⼤。
同时由于反动级内径轴封直径⽐冲动级的⼤，轴封齿数⼜相对少，因此反动级的叶⽚环⽓封漏⽓损失⽐冲动级的隔板漏⽓损失⼤。
4.3 轮周效率
单位蒸汽流过某级时所产⽣的轮周功Wu与蒸汽在该级中的理想可⽤能量之⽐，称为该级的轮周效率。
轮周效率是衡量汽轮机级的⼯作经济性的⼀个重要指标。轮周效率与速⽐有关，反动级的最佳速⽐是纯冲动级的两倍，在相同圆周速度下，反动级承担的⽐焓降⼩，做功能⼒也⼩。
4.4 级的效率
动静叶间的轴向间隙影响级的内效率；开式轴向间隙越⼩效率越⾼，但太⼩，在机组启停及变⼯况时由于热膨胀会发⽣动静叶摩擦；闭式轴向间隙的增⼤⼀⽅⾯使喷嘴出汽边到动叶进⽓边间距离增⼤，减少喷嘴出⼝尾迹的影响，从⽽使动叶栅进⼝汽流均匀，另⼀⽅⾯增加了汽流与汽道上下断⾯之间的摩擦，不利与级的效率。
在叶顶加装围带和径向汽封可明显地减少叶顶漏⽓，提⾼级的效率。叶⽚宽度过⼤将增⼤端部损失，过⼩⼜会增加叶型能量损失，因此在最佳宽度范围内级的内效率最⾼。
冲动式叶轮上开设平衡孔可以平衡轴向⼒，但会增加漏⽓损失，降低级的内效率。长叶⽚中安装拉筋是为了改善叶⽚的抗振性，但拉筋会影响蒸汽流动，降低级的内效率。
五、结语
由于级数少，叶轮式转⼦的热弹性好，相对与加平衡活塞的反动式汽轮机整机长度较⼩以及采⽤单流的通流结构，冲动式汽轮机在结构上⽐较简单，重量⽐较轻，运⾏的灵活性及可靠性也⽐较⾼。
反动式允许有较⼤的冲⾓变化，运⾏安全性⽐较⾼。
冲动式对安装⾓、相对节距及马赫数的敏感性较反动式强烈，所以冲动式汽轮机的叶栅损失⽐较⼤。但反动式汽轮机的漏⽓损失⽐冲动式⼤。
随着机组容量的增⼤，叶⽚⾼度相应增⼤，漏⽓损失减⼩，因此⼤机组采⽤反动式效率⽐较⾼，⼩机组采⽤冲动式⽐较有利。
参考⽂献：秦赟, 王海名. 冲动式与反动式汽轮机的优劣⽐较[J]. 应⽤能源技术, 2011(08):1-6.
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